Există aproximativ 15.000 de sateliți care orbitează Pământul. Cei mai mulți dintre ei, precum Stația Spațială Internațională și Telescopul Hubble, se află pe orbita terestră joasă (LEO - low Earth orbit), care se întinde până la aproximativ 2.000 de kilometri deasupra suprafeței Pământului. Dar, pe măsură ce tot mai mulți sateliți sunt lansați pe LEO – numai constelația de sateliți Internet Starlink a companiei SpaceX va trimite în cele din urmă acolo multe mii – regiunea începe să devină aglomerată.
De aceea este bine că există o altă orbită, și mai apropiată de suprafața Terrei, care promite să ajute la reducerea acestei aglomerări. Se numește VLEO (very low Earth orbit, orbita terestră foarte joasă) și se află la doar 100–400 de kilometri deasupra suprafeței Pământului.
Ca inginer și profesor care dezvoltă tehnologii pentru extinderea prezenței umane dincolo de Pământ, pot spune că sateliții de pe orbita terestră foarte joasă oferă avantaje față de cei aflați la altitudini mai mari. Printre alte beneficii, sateliții VLEO pot furniza imagini cu rezoluție mai mare, comunicații mai rapide și date mai bune pentru studiul atmosferei. Precizare: sunt, de asemenea, cofondator și coproprietar al Victoria Defense, companie care urmărește comercializarea tehnologiilor VLEO și a altor tehnologii spațiale bazate pe energie dirijată.
Avantajele VLEO
Imaginile obținute de la sateliții de pe orbita terestră foarte joasă sunt mai clare, deoarece aceștia „văd” Pământul mai bine decât sateliții aflați mai sus, la fel cum apropierea de un tablou te ajută să observi mai multe detalii. Acest lucru se traduce prin imagini cu rezoluție mai mare pentru agricultură, știința climei, intervenții în caz de dezastre și supraveghere militară.
Comunicarea de la un capăt la altul este mai rapidă, ceea ce este ideal pentru comunicații în timp real, precum telefonia și serviciile de Internet. Deși semnalele se propagă cu aceeași viteză, ele au o distanță mai mică de parcurs, astfel încât latența scade și conversațiile decurg mai fluent.
O mare parte din prognoza meteo se bazează pe imagini ale norilor de deasupra Pământului, iar realizarea acestor imagini de mai aproape înseamnă rezoluție mai mare și mai multe date pentru prognoză.
Datorită acestor beneficii, agențiile guvernamentale și industria lucrează la dezvoltarea sateliților de pe orbita terestră foarte joasă.
Blocajul: frecarea atmosferică
Te-ai putea întreba de ce această regiune a spațiului a fost, până acum, evitată pentru operațiuni satelitare de durată. Există un motiv principal: frecarea atmosferică.
Spațiul este adesea perceput ca un vid. Așadar, unde începe de fapt spațiul? Deși aproximativ 100 de kilometri altitudine – cunoscută drept linia von Kármán – este considerată pe scară largă drept limita de început, nu există o tranziție bruscă în care spațiul începe dintr-odată. Pe măsură ce te îndepărtezi de Pământ, atmosfera se rarefiază treptat.
> Citește și: Cum funcționează atmosfera terestră
În și sub orbita terestră foarte joasă, atmosfera Pământului este încă suficient de densă pentru a încetini sateliții, ceea ce face ca cei aflați la cele mai mici altitudini să iasă de pe orbită în câteva săptămâni sau chiar zile, arzând practic pe măsură ce cad înapoi spre Pământ. Pentru a contracara această frecare atmosferică și a rămâne pe orbită, satelitul trebuie să se propulseze constant înainte – la fel cum mersul pe bicicletă împotriva vântului necesită pedalare continuă.
Pentru propulsia în spațiu, sateliții folosesc diferite tipuri de propulsoare, care asigură impulsul necesar pentru a preveni încetinirea. Însă în cazul sateliților VLEO, propulsoarele trebuie să funcționeze tot timpul sau aproape tot timpul. În aceste condiții, propulsoarele convenționale ar consuma rapid combustibilul.
Din fericire, atmosfera Pământului în VLEO este încă suficient de densă încât atmosfera însăși să poată fi folosită drept combustibil.
Tehnologii inovatoare de propulsie
Aici intervine cercetarea mea. La Penn State, în colaborare cu Georgia Tech și cu finanțare din partea Departamentului Apărării al SUA, echipa noastră dezvoltă un nou sistem de propulsie conceput să funcționeze la altitudini de 70–90 de kilometri. Din punct de vedere tehnic, aceste altitudini sunt chiar sub orbita terestră foarte joasă, ceea ce face ca provocarea depășirii frecării să fie și mai mare.
Abordarea noastră colectează atmosfera cu ajutorul unui instrument, ca și cum ți-ai deschide larg gura în timp ce pedalezi pe bicicletă, apoi folosește microunde de mare putere pentru a încălzi atmosfera colectată. Gazul încălzit este apoi evacuat printr-o duză, care împinge satelitul înainte. Echipa noastră numește acest concept „propulsor cu plasmă cu microunde cu admisie atmosferică”. Am reușit să demonstrăm un prototip de propulsor în laborator, într-o cameră de vid care simulează presiunea atmosferică întâlnită la 80 km altitudine.
Această abordare este relativ simplă, dar are potențial, mai ales la altitudini mai joase, unde atmosfera este mai densă. Mai sus, unde atmosfera este mai rarefiată, navele spațiale ar putea utiliza alte tipuri de propulsoare VLEO, dezvoltate de alți cercetători, pentru a acoperi intervale mari de altitudine.
Echipa noastră nu este singura care lucrează la tehnologii de propulsie. Un singur exemplu: Departamentul Apărării al SUA a încheiat un parteneriat cu contractorul din domeniul apărării Redwire pentru a dezvolta Otter, un satelit VLEO echipat cu propria versiune de tehnologie de propulsie cu admisie atmosferică.
O altă opțiune pentru menținerea unui satelit în VLEO, care valorifică o tehnologie la care am lucrat de-a lungul carierei mele, este legarea unui satelit de pe o orbită joasă de un satelit aflat pe o orbită mai înaltă, cu ajutorul unui cablu lung. Deși NASA nu a folosit niciodată un asemenea sistem, misiunea de continuare propusă pentru sistemele de sateliți cu cablu testate în anii '90 presupunea coborârea unui satelit pe o orbită mult mai joasă din naveta spațială, conectat printr-un cablu foarte lung. În prezent, reanalizăm acest sistem pentru a vedea dacă ar putea funcționa, într-o formă modificată, pentru VLEO.
Alte complicații
Depășirea frecării, deși este cea mai dificilă, nu este singura provocare. Sateliții de pe orbita terestră foarte joasă sunt expuși la niveluri foarte ridicate de oxigen atomic, o formă extrem de reactivă de oxigen care corodează rapid majoritatea materialelor, inclusiv materialele plastice.
Materialele satelitului trebuie, de asemenea, să reziste la temperaturi extrem de ridicate, de peste 1.500 de grade Celsius, deoarece frecarea îl încălzește pe măsură ce se deplasează prin atmosferă, un fenomen care apare atunci când toate navele spațiale reintră în atmosferă de pe orbită.
Potențialul acestor sateliți stimulează cercetarea și investițiile, iar misiunile propuse devin realitate. Estimările Juniper Research indică investiții de 220 de miliarde de dolari numai în următorii trei ani. În curând, Internetul, prognozele meteo și securitatea ar putea fi și mai performante, susținute de sateliți VLEO.
Traducere după Welcome to the world of very low Earth orbit satellites de Sven Bilén, profesor de proiectare inginerească, Electrical Engineering and Aerospace Engineering, Penn State.
